Polare Stratosphärenwolken

Foto: Hákon Hansson

Erklärung

Polare Stratosphärenwolken (PSC - Polar Stratospheric Clouds) treten in der Stratosphäre in einer Höhe zwischen 20 und 30 km auf. Die Voraussetzung für die Entstehung von PSC sind sehr geringe Temperaturen, weshalb sich ihr Vorkommen auf die Wintermonate und im wesentlichen auf Skandinavien, Schottland, Alaska oder die Antarktis beschränkt.

Es werden allgemein zwei Haupttypen von Polare Stratosphärenwolken unterschieden:

Typ 1: Mischwolken

1a) Nitric Acid Trihydrate (NAT)

Kondensierende feste "Nitric Acid Trihydrate" Partikel können bereits bei relativ hoher Umgebungstemperatur (-78°C in 50hPa) auftreten. Die mikroskopische Struktur der Partikel ist chemisch eine Verbindung von je einem Molekül HNO3 mit 3 Molekülen Wasser - einem sogenannten Trihydrat der Formel HNO3* 3H20. Ihre Teilchengröße ist etwa 1 µm (1 millionstel Meter). Bei tieferen Temperaturen können sie weiter wachsen und dann auch relativ geringe Mengen an Salzsäure (HCl) und Schwefelsäure (H2SO4) aufnehmen. Das Aussehen der NAT-Wolken wird als sehr feingliedrig (ähnlich dem der NLC-Wolken) beschrieben und sie treten häufig sehr großflächig auf.

1b) Supersaturated Ternary Solution (STS)

Diese PSC bestehen hauptsächlich aus den flüssigen Partikeln einer übersättigten ternären Lösung von Schwefelsäure, Salpetersäure und Wasser. Ihr Aussehen ähnelt Wolkenschlieren, Strukturen sind oft nicht erkennbar. Meist ist ihr Auftreten deshalb nur durch Messungen nachweisbar.

Typ 2: Perlmutterwolken

PSC's des Typs 2 bestehen aus reinen Wasser-Eiskristallen. Sie bilden sich bei tieferen Temperaturen, nämlich bei -85°C bis -90°C und weniger (188 K in 25 km Höhe). Ihre Teilchengröße ist ungefähr 10 µm. Die Eiskristalle sind daher so schwer, dass diese PSC dazu neigen, in die Troposphäre abzusinken. Die eh schon sehr wasserarme Stratosphäre wird so über den Polen  weiter dehydriert. Dieser PSC-Typ, auch Perlmutterwolken genannt, haben ein meist linsenförmiges Aussehen und treten nur kleinräumig auf.

Fotos

Die folgenden Fotos wurden von Hákon Hansson aus und auf Island aufgenommen. Wir bedanken uns für diese tollen Aufnahmen.

Polare Stratosphärische Wolken über Island

Bunte Farben über Island

Auch Linda Ólafsdóttir hat diese farbenprächtigen Wolken am 26. Januar 2012 in Island aufgenommen.

Perlmutterwolken

Als Perlmutterwolken beschreibt man ein meist pastellfarbenes Irisieren an kleinsten Eiskristallen linsenförmiger Wolken in 20 bis 30 km Höhe. Ihre beste Sichtbarkeit erreichen sie kurz vor Sonnenuntergang bzw. kurz nach Sonnenaufgang in 10 bis 20° Entfernung von der Sonne. Allerdings können sie auch noch bis 2 Stunden nach Sonnenuntergang beobachtet werden, was darauf hindeutet, dass sie sich in großer Höhe befinden. Sie entstehen, wenn eine Luftströmung ein Hindernis, etwa ein Gebirge überströmt. Dadurch beginnt die Luftströmung zu schwingen und auf der windabgewandten Seite bilden sich bei stabiler atmosphärischer Schichtung stehende Wellen aus. In diesen Leewellen strömt die Luft mehrmals abwechselnd nach oben und nach unten. In den Teilstücken mit Aufwärtsbewegung dehnt sich die Luft aus und kühlt sich dabei ab. Dadurch kann Wasserdampf kondensieren und es bilden sich Wolken. In den nördlichen Breiten reicht die Wellenbildung aufgrund der extrem stabilen atmosphärischen Schichtung bis in die obersten Schichten der Atmosphäre. Da die Temperaturen dort aber nur selten so tief fallen, entstehen nur hin und wieder Perlmutterwolken. In der Arktis und Antarktis sind sie nach neueren Kenntnissen im Winter hingegen häufiger als bisher angenommen.

Es wird vermutet, dass Staub in der Stratosphäre die Bildung von Perlmutterwolken begünstigt, da sich kleine Staubpartikel gut als Sublimationskerne von Wassermolekülen eignen. In Skandinavien können Perlmutterwolken in fast jedem Winter beobachtet werden. Die finnischen Beobachter können dank des westwindabfangenden Skandinavischen Gebirges immerhin auf über 50 Erscheinungen in 12 Jahren zurückblicken. Ob Perlmutterwolken auch in Deutschland möglich sind, darüber konnte man bisher nur spekulieren. Die theoretischen Bedingungen sind im Winter mitunter auch in unseren Breiten gegeben, vor allem im Norden Deutschlands, wo das Klima der höheren Luftschichten noch durch das skandinavische Gebirge beeinflusst wird. Jedoch gibt es kaum Beobachtungsberichte aus Deutschland. Auch aus der Literatur ist nur ein derartiger Fall bekannt. Es wurde in den deutschen "Astronomischen Nachrichten" von 1910 darüber berichtet, daß am 19.05.1910, kurz nach Komet Halleys Vorbeiflug solche Wolken beobachtet worden sind. Über weitere Literaturhinweise wären wir sehr dankbar.

Nitric Acid Trihydrate - Wolken (NAT)

Am 1.12.1999 beobachtete Heino Bardenhagen in Helvesiek kurz nach Sonnenaufgang einen Himmel, der den Eindruck einer welligen Wasseroberfläche macht, die matt das Sonnenlicht reflektiert. Dabei schien der Teich“ auf dem Kopf stehend. Bei dieser Beobachtung handelt es sich vermutlich um andere Stratosphärenwolken. Bereits bei 75°C kann z.B. Salpetersäure (HNO3), die in geringen Mengen in der Atmosphäre enthalten ist, kondensieren. Daraus bilden sich sehr dünne, faserig aussehende und oft über Tausende Kilometer ausgedehnte Wolkenfelder. Da in der entsprechenden Nacht über einem großen Gebiet von Mittelskandinavien bis nach Norddeutschland derartige, ähnlich aussehende Wolken beobachtet wurden, könnte es sich bei diesen Beobachtungen auch um die sogenannten Nitric Acid Trihydrate - Wolken (NAT) handeln. Die Institute für Umweltphysik der Universitäten Heidelberg und Bremen und das Norwegische Institut für Luftforschung informierten in ihrem Ozonbulletin für den entsprechenden Zeitraum über folgendes: Während im letzten Winter die Stratosphäre vergleichsweise warm war und eine sehr geringe Chloraktivierung gemessen werden konnte, kühlte sich Ende 1999 die Stratosphäre rasch ab, so dass ab Mitte Dezember die Entstehung von großflächigen polaren Stratosphärenwolken möglich wurde. Von verschiedenen Bodenstationen sind polare stratosphärische Wolken bereits zahlreich beobachtet worden. Die meteorologischen Temperaturanalysen vom Januar 2000 zeigen, dass in 20 km Höhe die Flächen mit kalten Temperaturen unterhalb von 195 K (-78°C) in der Nordhemisphäre noch nie so groß waren, wie in diesem Jahr.

Das Vorkommen dieser tiefen Temperaturen hängt mit den extremen Bedingungen der Polargebiete zusammen, weil die Luftmassen über den Polen im Winter von den sonstigen globalen Luftströmungen völlig isoliert sind. Sobald die Sonne im Spätherbst für einige Monate hinter dem Horizont verschwindet, bildet sich rund um den Pol eine intensive Westströmung aus, der sog. Polwirbel. Dieser Polwirbel bildet eine ringförmige Strömung und behindert den Luftaustausch mit der restlichen Atmosphäre. Erst dadurch können die Stratosphärentemperaturen in diesem Bereich auf so tiefe Werte fallen. Die Polwirbel sind besonders in der Antarktis ausgebildet, was mit den großen Landmassen am Südpol zusammenhängt. Die Wirbel über der Arktis und die damit verbundenen Vorgänge sind generell weniger stark ausgeprägt.

Es wurde vorhergesagt, dass es in den folgenden Monaten ein Rekord-Ozonverlust über den Polen geben wird, denn nach neuesten wissenschaftlichen Erkenntnissen spielen Stratosphärenwolken beim Ozonabbau eine große Rolle. Unter normalen Bedingungen ist nämlich das Chlor, das aus freigesetzten FCKW stammt, glücklicherweise zum größten Teil in den sog. Chlorreservoiren gebunden. Das sind Stoffe, die zwar Chloratome enthalten, aber nicht zum Ozonabbau beitragen. Die wichtigsten Chlorreservoire sind Salzsäure (CHI) und Chlornitrat (ClONO2). Salzsäure entsteht aus der Reaktion von Chlor (Cl) mit Methan (CH4). Chlornitrat bildet sich aus Chlormonoxid (ClO) und Stickstoffdioxid (NO2). Ohne diese beiden Substanzen, die fast das gesamte Chlor in der Atmosphäre binden, würde in der Atmosphäre weit mehr Ozon abgebaut, als dies tatsächlich der Fall ist. Das Ozonloch entsteht also nach heutigem Wissen deswegen, weil unter den speziellen Bedingungen der Polgebiete im Winter Chlor aus den Reservoiren freigesetzt wird. An den Oberflächen der Eiskristalle der Wolken finden nämlich ganz andere chemische Umsetzungen statt, als in der Luft. Hier können die beiden Reservoirstoffe Salzsäure und Chlornitrat miteinander reagieren und dabei werden Chlormoleküle und Salpetersäure freigesetzt. Die Chlormoleküle bleiben im Winter zunächst unverändert in der Atmosphärenluft und tragen auch noch nicht zum Ozonabbau bei. Die Salpetersäure wird in den Eiskristallen der Wolken gebunden und verursachen somit die oben beschriebenen NAT-Wolken.

Solange das Chlor in Form von Molekülen vorliegt, kommt es zu keinem Ozonabbau. Sowie jedoch im arktischen Frühling die Sonne aufgeht, werden die Chlormoleküle durch UV-Strahlung (Lambda <450nm) dissoziirt, d.h. in reaktionsfreudige Chloratome aufgespalten. Dadurch werden innerhalb kürzester Zeit riesige Mengen an Chloratomen freigesetzt und es beginnt ein lawinenartiger Ozonabbau, der schließlich zur Bildung des arktischen Ozonlochs führt.

Die Beobachtung von NAT-Wolken lässt also viele Rückschlüsse auf die chemischen Vorgänge in der oberen Atmosphäre zu. Im Fall der vorliegenden Beobachtung sind die Stratosphäreneigenschaften ziemlich gut dokumentiert und es sind auch einige weitere Beobachtung ähnlicher Wolkenformationen von diesem Morgen und der Nacht zuvor aus Skandinavien bekannt. Insofern ist es nicht unwahrscheinlich, dass es sich wirklich um eine erste fotografische Dokumentation von NAT-Wolken in unseren Breiten  gehandelt haben könnte.

Text: Claudia Hinz